Videonovērošanas kameras

 

Videonovērošanas sistēmām ir svarīga loma dažādu objektu aizsardzības nodrošināšanai. To tehniskie līdzekļi ļauj ne tikai nepārtraukti kontrolēt operatīvo telpu un ierakstīt notikumu gaitu, bet arī automātiski konstatēt ielaušanos.

 

Matrica

Sākotnēji kamerām bija liela inerce un patērētā jauda, lieli izmēri, mazs jutīgums, ka arī īss kalpošanas laiks. Pateicoties pusvadītāju tehnoloģijas attīstībai, tika radītas fotoierīces, kas ļāva izstrādāt gaismas un signāla cietķermeņa matricas pārveidotājus.

Visu mūsdienu kameru pamatā ir šāds princips. Gaisma, kas krīt uz matricas, izraisa elektriskā lādiņa uzkrāšanos katrā tās šūnā. Lādiņš ir proporcionāls šūnas apgaismošanas pakāpei un tiek periodiski nolasīts un pārveidots videosignālā, kas tiek izvadīts uz monitora. Matricas virsma sastāv no gaismas jutīgām šūnām (pikseļiem), parasti to ir no 270 000 līdz 440 000. Jo vairāk pikseļu, jo attēls ir kvalitatīvāks un asāks.

 

Matricas formāts

Matricas diagonāles izmērs  ir aptuveni vienāds atbilstošā videokona mērķa diametram. To mēra collās, un tam  var būt šāda vērtība: 1, 2/3, 1/2, 1/3 un 1/4. Liela formāta - 1 un 2/3 collu – matricas vairs netiek ražotas, jo kameras, kurās tās izmanto, ir liela izmēra un maksā diezgan dārgi. Uz 1/4 collu matricu bāzes ražo īpaši mazas kameras.

Modernās tehnoloģijas ļauj samazināt formātu, nepasliktinot pārraidāmā attēla kvalitāti. Mūsdienu mazformāta matricām ir laba izšķirtspēja.

Matricas izmērs ir svarīgs, nosakot nepieciešamo kameras aptveres leņķi. Kamerai, kas veidota, pamatojoties uz 1/2 collu matricu, aptveres leņķis ir lielāks, nekā izmantojot 1/3 collu matricu.

 

 

Izšķirtspēja

Izšķirtspēja nodrošina kameras spēju attēlot sīkas attēla detaļas: jo augstāka ir izšķirtspēja, jo attēls ir detalizētāks un informatīvāks.

Izšķirtspēja ir atkarīga ne tikai no pikseļu skaita matricā, bet arī no kameras elektroniskās shēmas parametriem. Pārsvarā 380-400 televīzijas līniju izšķirtspēja novērošanai ir pilnīgi pietiekoša. Kameras ar lielāku (560-570 TV līniju) izšķirtspēju ļauj precīzi saskatīt sīkas detaļas (mašīnu numurus, cilvēku sejas u. c.). Krāsu kameru izšķirtspēja ir mazliet sliktāka nekā melnbaltajām – 300-350 TV līniju. Pēdējā laikā ciparu videonovērošanas sistēmu tirgū parādījušās augstas izšķirtspējas (460-480 TV līniju) ciparu videokameras ar DPS (Digital Processing Systems) signāla apstrādi.

Lai noskaidrotu kameras izšķirtspēju, parasti izmanto speciālo televīzijas testa tabulu, kurā ir attēlotas līniju grupas, attālums starp tām atbilst noteiktai izšķirtspējai. Kameras izšķirtspēju nosaka pēc tā tabulas apgabala, kur līnijas grupā vairs nav saskatāmas atsevišķi.

Vertikālā izšķirtspēja visām CCIR (International Radio Consultative Committee) standarta kamerām ir vienāda, jo tiek norobežota ar televīzijas standartu – 625 televīzijas izvērses rindas. Galvenā kameru atšķirība ir horizontālajā izšķirtspējā, un tieši tā tiek norādīta tehniskajos aprakstos. Jāatzīmē, ka izšķirtspējas definīcija nav pilnīgi piemērota modernajam CCD (Charge Coupled Device) kamerām.

Kameras izšķirtspēju ietekmē divi faktori – horizontālu matricas elementu daudzums un videosignāla frekvenču josla. Diskrēta punktu matricas struktūra, novērojot svītrainu attēlu, izraisa pulsācijas efektu. Piemēram, ja matricai ir 520 elementi horizontālē, tad, izmantojot testa tabulu, kas satur 260 melnas un 260 baltas līnijas, var redzēt skaidru attēlu no 520 līnijām. Tomēr, ja attēlu nobīda pa pusmatricas šūnu, tad katrā šūnā parādās puse baltas un puse melnas līnijas. Šī kamera principā var pārraidīt 520 līnijas, tomēr ne pārāk stabili. Ir pieņemts uzskatīt, ka stabili šajā gadījumā var pārraidīt līniju skaitu, kas nepārsniedz 3/4 no šūnu skaita. Tas nozīmē, ka kamerai ar 520 elementiem ir 390 TV līniju izšķirtspēja. Lai pārraidītu 390 TV līniju signālu, ir nepieciešama 3,75 MHz frekvenču josla. Pašlaik pusvadītāju pastiprinātāji ļauj palielināt kameras pastiprinātāju caurlaides joslu 1,5–2 reizes. Tomēr augstas kvalitātes pastiprinātājs izšķirtspēju neietekmē – šādi var uzlabot tikai baltās un melnās krāsu robežas pārraides asumu.

Ja kamerā izmanto kompozītu krāsu videosignālu, tad tā caurlaides josla nevar būt lielāka par 3,8 MHz.

Pašlaik daži ražotāji krāsu kameru aprakstos norāda 480 un vairāk TV līniju izšķirtspēju, bet neakcentē uzmanību uz to, ka šī izšķirtspēja ir tikai tad, ja signāls tiek saņemts no Y-C (S-Video) vai RGB izejas. Šajā gadījumā krāsu un spilgtuma signāli līdz monitoram tiek pārraidīti caur diviem (Y-C) vai trim (RGB) atsevišķiem koaksiāliem kabeļiem. Monitors un visas pārejas iekārtas (komutatori, multipleksori, videomagnetofoni u. c.) ir jāaprīko ar Y-C vai RBG tipa izejām un ieejām. Visām ciparu iekārtām (multipleksori, kvadratori, sinhronizatori u. c.) ir sava izšķirtspēja, kas arī ierobežo kopēju novērošanas sistēmas izšķirtspēju. To nosaka tas komponents, kuram tā ir viszemākā. Izšķirtspēju ietekmē arī apgaismošanas apstākļi – jo sliktāks apgaismojums, jo zemāka tā ir.

 

Jutīgums

Jutīgums nosaka kameras darba kvalitāti sliktā apgaismojumā. Ar to parasti saprot minimālu objekta apgaismošanas pakāpi (scene illumination), kad var izšķirt pāreju no melnas krāsas uz baltu, bet citreiz arī matricas minimālu apgaismošanas pakāpi (image illumination). Pirmo mēra standartizētos apstākļos: objekta atstarošanas koeficients ir 0,75, bet objektīva gaismas spēks – 1,4.

Minimālās apgaismošanas pakāpes vērtība matricā un objektā atšķiras vairāk nekā 10 reizes. Ja ir norādīts, ka matricas minimāla apgaismošanas pakāpe ir 0,01 lukss, tas nozīmē, ka ar F1.4 objektīvu minimālā objekta apgaismošanas pakāpe ir 0,1 lukss. Mūsdienu kamerām tā ir vidēja vērtība. Pazīstami ražotāji tehniskajās pasēs un katalogos norāda objekta apgaismošanas pakāpi, bet vidējā līmeņa ražotāji cenšas akcentēt uzmanību uz pievilcīgu produkcijas jutīguma raksturojumu, nenorādot, ka mērījumi veikti uz matricas.

Mērījumus veic ar luksometra palīdzību. Ja kamera saglabā nepieciešamos attēla parametrus, ja objekta apgaismošanas pakāpe ir 0,1 lukss, var apgalvot, ka tās jutīgums ir 0,1 lukss. Tomēr  jāņem vērā signāla līmenis (izejas signāla lielums ir 1 V vai mazāk), mērīšanas vieta, izmantotais objektīvs un testējamā objekta atstarošanas spējas. Tāpēc tādi mērījumi ir jāveic speciāli aprīkotā telpā.

Salīdzinot ar cilvēka aci, monohromu TV kameru gaismas spektra uztvertspēja ir novirzīta infrasarkanajā spektrā. Tas ļauj nepietiekamā apgaismojumā izmantot speciālus infrasarkanos prožektorus.

Krāsu kameras ir mazāk jutīgas nekā monohromās un neuztver infrasarkano spektra daļu.

Mūsdienu monohromo kameru jutīgums ir 0,01-1 lukss (pie F1.2). Visjutīgākās kameras izmanto novērošanai nakts laikā. Lai tās darbotos efektīvi, pietiek ar mēness gaismu.

Īpaši jutīga ir TV kameras un nakts redzamības aparatūras kombinācija. Šādām kamerām piemīt unikālas īpašības - to jutīgums ir 100–10000 reižu augstāks nekā parastajām videokamerām. Tās neiesaka izmantot diennakts gaišajā laikā un iesaka aizsegt objektīvu, lai pasargātu katodu no pārdegšanas. Objektīva automātiskās diafragmas diapazonam ir jābūt līdz 1000 un vairāk.

 

Attiecība signāls - troksnis

Ar jutīgumu cieši saistīta signāla un trokšņa attiecības parametrs. Šo lielumu mēra decibelos. Piemēram, 60 dB liela attiecība nozīmē, ka signāla amplitūda ir 1000 reižu lielāka par troksni. Kad šis parametrs ir vienāds ar 50 dB, monitorā var redzēt skaidru attēlu bez trokšņiem. Ja ir 40 dB, uz attēla dažreiz var pamanīt mirgojošos punktus, 30 dB - uz ekrāna būs sniegs,  20 dB - attēls praktiski nav skatāms, kaut vai lielus objektus var saskatīt. 

Kameru tehniskajos aprakstos norāda signāla un trokšņa attiecības lielumu optimālajiem apstākļiem, piemēram, pie matricas apgaismošanas pakāpes 10 luksi, izslēgtas automātiskās pastiprināšanas regulācijas un gamma korekcijas. Samazinot apgaismošanu, signāla lielums samazinās, bet troksnis – palielinās.

Tehniskajos aprakstos kameras jutīgumu norāda signālam,  kad signāla un trokšņa attiecība ir 24 dB. Empīriski tā ir maksimāla šīs attiecības vērtība, kad attēlu vēl var ierakstīt uz videolentes un pēc tam saskatīt.

 

Autodiafragma

Diennakts laikā apgaismojums kontrolējamajā objektā mainās. Lai matricas apgaismošanas pakāpi uzturētu vienā līmenī, izmanto kameras ar iebūvētu automātisku elektronisko aizslēgu vai objektīvu ar autodiafragmu.

Objektīvi ar automātisko diafragmu uztur matricas apgaismojumu noteiktā līmenī, mainot atveres lielumu. Kad apgaismošanas pakāpe ir liela, diafragma sašaurinās, laižot cauri mazāk gaismas, bet, ja tā ir maza, – atveras. Tas ļauj iegūt kontrastainu signālu. Ārējās novērošanas sistēmās iesaka izmantot objektīvus ar automātisko diafragmu. Šajā gadījumā nepieciešamo efektu var sasniegt, ja apgaismošanas līmenis pārsniedz 80 000 luksu.

 

Automātiskais elektronu aizslēgs  

Automātiskais elektronu aizslēgs nodrošina apgaismošanas līmeņa izmaiņu kompensāciju un vidējo attēla spilgtumu. Tas notiek, mainoties fotolādiņa uzkrāšanas laikam un videosignāla amplitūdai. Aizslēga pārslēgšanas laiks var būt tikai 1/100 000 sekundes. Bez diafragmām objektīvu cenas ir zemākas, bet, izmantojot kameras ar elektronisko aizslēgu, dažkārt var ieekonomēt ievērojamas summas, jo ar šādām kamerām var izmantot objektīvus, kam ir ar roku pārslēdzama diafragma. Augstas jutības kameras ar objektīviem bez diafragmas iesaka izmantot tikai telpās, jo  ar elektroniskā aizslēga slēgšanas diapazonu nepietiek, lai pielāgotos apgaismojumam uz ielas. Elektroniskais aizslēgs palīdz efektīvāk novērot objektus, kas strauji pārvietojas.

Objektīvus ar automātisku diafragmu iesaka izmantot tad, kad kamera strādā mainīgā apgaismojumā un ir nepieciešams vislielākais attēla asums. To var sasniegt ar maksimāli aizvērtu objektīva diafragmu un tad, kad ir nepieciešams asāk attēlot spilgtu objektu robežas. 

 

Sinhronizācija

Dažām videonovērošanas sistēmām ir mirgojošs attēls, tas saistīts ar kadru sinhronizācijas frekvenci. Lai to novērstu, jāsinhronizē visu izmantojamo TV kameru kadru frekvence. Viena no iespējām ir visu kameru sinhronizācija no viena signāla avota. Tas ļauj iegūt kvalitatīvu attēlu kameru pārslēgšanas brīdī un novērst to mirgošanu monitoru ekrānos.

Objektīvi

Objektīva fokusa attālums parasti tiek norādīts milimetros un nosaka redzes leņķi. Jo fokusa attālums ir mazāks, jo leņķis ir plašāks. Normāls TV kameras redzes leņķis ir ekvivalents cilvēka redzes leņķim, turklāt objektīva fokusa attālums ir proporcionāls matricas diagonāles izmēram.

Ir normālie, platleņķa un teleobjektīvi. Objektīvus, kuru fokusa attālums var mainīties vairāk nekā sešas reizes, sauc par zoom objektīviem (ar transfokatoru). Tos izmanto, kad vajag detalizēti apskatīt no kameras attālinātu objektu. Piemēram, izmantojot zoom objektīvu ar desmitkārtīgu palielināšanas iespēju, objektu, kas atrodas 100 metru attālumā, var redzēt tikpat skaidri, kā no desmit metriem. Visbiežāk izmanto zoom objektīvus, kas aprīkoti ar distances diafragmas, fokusēšanas un palielināšanas (motorized zoom) vadību.

Objektīva atvere

Parasti objektīvam ir divas atveres pozīcijas (1:F) vai aparatūras vērtības - maksimālā un minimālā. Diafragma ir pilnīgi aizvērta pie maksimālās F vērtības, bet pie minimālās – atvērta. F parametrs ietekmē attēlu. Pie minimālas vērtības objektīvs uzņem vairāk gaismas, tādējādi kamera labāk darbojas diennakts tumšajā laikā. Un otrādi, ja apgaismošanas pakāpe ir liela, palielinoties F vērtībai, kamera netiks apžilbināta, kas nodrošina stabilu signāla līmeni. Visos objektīvos ar autodiafragmu maksimālās F vērtības palielināšanai izmanto neitrāla blīvuma filtru.

 

Attēla asums

Attēla asuma pakāpe norāda, cik liels redzes lauks atrodas fokusā. Kad pakāpe ir liela, tas nozīmē, ka lielāka redzes lauka daļa atrodas fokusā (ar sašaurinātu diafragmu ir iespējams sasniegt bezgalīgu attēla asuma pakāpi). Mazā pakāpē fokusā skaidri var redzēt tikai nelielu redzes laukuma fragmentu. Asuma pakāpi ietekmē dažādi faktori. Piemēram, platleņķa objektīvi nodrošina lielu asumu. Arī liela F vērtība liecina par augstu attēla asuma pakāpi. Vismazāko asumu var sasniegt naktī, kad diafragma ir pilnīgi atvērta.

 

Diafragmas

Mainīgā apgaismojumā iesaka izmantot objektīvus ar automātisku diafragmu. Objektīvus, kuru diafragma ir regulējama ar roku, pārsvarā izmanto telpās, kur ir pastāvīgs apgaismojums. Jāņem vērā, ka ar pilnīgi atvērtu diafragmu un sliktā apgaismojumā, F vērtība sasniedz kritisku robežu, bet asums samazinās, kas sarežģī fokusēšanu. Ja diafragma ir pilnīgi aizvērta, kameras jutīgums samazinās.

 

Pēc interneta materiāliem sagatavoja Marina VĒVERE